系桿拱橋結(jié)構(gòu)受力分析

張宗山

摘 要：系桿拱橋兼具拱橋的跨越能力和簡(jiǎn)支梁橋?qū)Φ刭|(zhì)基礎(chǔ)的適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)，故而廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的橋梁建設(shè)。本文以某系桿拱橋?yàn)檠芯勘尘?，用有限元軟件Midas/Civil對(duì)橋梁進(jìn)行模擬，分析其吊桿和拱肋結(jié)構(gòu)受力，得出以下結(jié)論：（1）恒載引起吊桿和拱肋的內(nèi)力比活載較大;（2）在恒載和活載作用下，拱肋在拱腳處彎矩較大;（3）對(duì)于有縱坡的系桿拱橋，其縱向的不對(duì)稱(chēng)性會(huì)對(duì)拱肋彎矩產(chǎn)生影響。研究結(jié)果可為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)與后期加固提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：系桿拱橋;Midas/civil;受力分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.22+5? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0151-03

系桿拱橋是主要由拱肋、吊桿和系梁組成的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，因其內(nèi)部超靜定外部簡(jiǎn)支的受力特性，故兼具有拱橋的較大跨越能力和簡(jiǎn)支梁橋?qū)Φ鼗m應(yīng)能力強(qiáng)兩大特點(diǎn)。當(dāng)橋面高程受到嚴(yán)格限制而橋下又要求有較大的凈空，或當(dāng)墩臺(tái)基礎(chǔ)地質(zhì)條件不佳但又要保證較大跨徑時(shí)，系桿拱橋是一種較優(yōu)越的橋型[1-4]。由于系桿拱橋設(shè)計(jì)和施工技術(shù)逐漸趨于成熟，在許多城市建設(shè)和公路修建上得到大量運(yùn)用，如廣州南沙鳳凰三橋、揚(yáng)州大運(yùn)河橋等，均為系桿拱橋結(jié)構(gòu)[5-6]。但隨著時(shí)間推移，許多系桿拱橋均存在服役過(guò)久，使用負(fù)荷較大現(xiàn)象，而且當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)不完善，導(dǎo)致目前部分系桿拱橋仍存在許多問(wèn)題，如出現(xiàn)裂縫，變形等病害，甚至直接發(fā)生倒塌，危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全[7-8]。為減少此類(lèi)情況發(fā)生，筆者以某系桿拱橋?yàn)檠芯勘尘?，以此橋的受力情況分析其內(nèi)力作用機(jī)理。具體方法為，使用有限元軟件Midas/Civil對(duì)橋梁進(jìn)行數(shù)值模擬，以軟件模型模擬橋梁真實(shí)受力情況，并讀取其各部件在荷載作用下的內(nèi)力情況，分析其吊桿和拱肋結(jié)構(gòu)受力，本文研究結(jié)果可在同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)以及后期加固過(guò)程中提供一定的參考依據(jù)。

1工程概況

橋梁全長(zhǎng)179米，全寬40米，按整幅橋設(shè)計(jì)。橋型為全鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋。橋上設(shè)置雙向6車(chē)道，兩側(cè)各6米人行道及中央4米中分帶。設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)荷載城-A，人群荷載按城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（CJJ 11-2011）設(shè)計(jì)。橋梁立面布置如圖1所示。

主梁采用扁平焊接鋼箱梁，共設(shè)18道縱腹板。梁兩側(cè)高1.7m，中間高1.88m，設(shè)有橫坡。頂板厚16mm，底板厚14mm。鋼箱梁頂板采用U形肋（上口寬300mm，底板寬170mm，高280mm，板厚8mm），底板采用板肋（高200mm，寬12mm）。

拱肋采用箱型截面，采用二次拋物線(xiàn)線(xiàn)型。計(jì)算跨徑為152m，矢高30m，矢跨比1/5.2 。

全橋設(shè)3道拱肋，拱圈高20m，寬為1.96m，標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼板厚度為30mm，拱腳加強(qiáng)區(qū)為60mm。

全橋拱肋共有3×29根吊桿，吊桿縱向間距按5m設(shè)置，橫向軸線(xiàn)距15.1m。吊桿上端錨固于拱肋下緣吊耳處，下端錨固于梁底。張拉端設(shè)置在梁底。吊桿采用新型吊桿體系，每根吊桿由高強(qiáng)鋼絞線(xiàn)吊索索體與高強(qiáng)鋼拉桿通過(guò)連接器連接形成。吊索為15-31高強(qiáng)鋼絞線(xiàn)，采用GJ鋼絞線(xiàn)整束擠壓吊桿體系錨具。

2建立模型

運(yùn)用Midas/Civil有限元軟件建立系桿拱橋計(jì)算模型，共384個(gè)節(jié)點(diǎn)，975個(gè)單元。模型中拱肋、橫撐、系梁均以梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，吊桿采用桁架單元模擬，系桿拱橋計(jì)算模型如圖2所示。模型中X，Y，Z坐標(biāo)分別表示系桿拱橋的縱向、橫向與豎向，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于中間拱肋的一側(cè)拱腳處，在原點(diǎn)處設(shè)置固定支座，同側(cè)另外兩個(gè)拱腳處設(shè)置約束X和Z方向的活動(dòng)支座，中間拱肋另一拱腳處設(shè)置約束Y和Z方向的活動(dòng)支座，其它支座設(shè)置只約束Z方向的活動(dòng)支座。橋梁系梁采用梁格法進(jìn)行模擬，將系梁分解成9個(gè)箱型截面，再用虛擬橫梁連接起來(lái)。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 吊桿內(nèi)力

吊桿作為連接系桿拱橋拱肋和承受車(chē)輛荷載系梁的一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件，它通過(guò)受拉使結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，協(xié)調(diào)整體結(jié)構(gòu)受力，系桿拱橋的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的合理性取決與吊桿受力是否合理。通過(guò)模型對(duì)系桿拱橋吊桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，提取其內(nèi)力分布數(shù)據(jù)，得到在恒載、活載作用下各吊桿的索力分布情況，如圖3所示，以A、B、C分別代表左幅吊桿、中間吊桿和右幅吊桿。

根據(jù)圖3可知，恒載作用下左右幅吊桿的索力變化一致，中間吊桿索力略大于左右幅吊桿索力?？紤]到橋梁存在縱坡的情況可以認(rèn)為拱橋兩側(cè)吊桿的索力呈對(duì)稱(chēng)分布，橋梁三組吊桿最大索力均出現(xiàn)在跨中位置。而活載作用下左右幅吊桿索力變化一致，而中間吊桿索力與左右幅變化差異相對(duì)較為明顯，整體上仍呈對(duì)稱(chēng)分布。在恒載或活載作用下各吊桿均為受拉狀態(tài)，對(duì)比恒載和活載作用下吊桿整體索力大小，可知恒載作用為引起吊桿軸力的主要因素，而活載作用對(duì)吊桿索力影響相對(duì)較小。

3.2? 拱肋內(nèi)力

拱肋是系桿拱橋中主要的承重構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造使得拱肋主要承受軸向壓力，而更少地承受彎矩，故能合理利用材料承受更大的荷載。拱肋內(nèi)力的控制對(duì)全橋整體受力和成橋線(xiàn)形有著決定性影響，拱肋所受彎矩的大小以及分布情況直接決定了橋梁受力的合理性，拱肋的變形也將影響橋梁線(xiàn)性是否與設(shè)計(jì)值一致。通過(guò)對(duì)模型在恒載及活載作用下拱肋結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩進(jìn)行數(shù)值分析，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，分析得到各單元中點(diǎn)軸力與彎矩的變化規(guī)律如圖4、5所示，用A、B、C分別表示左幅拱肋、中間拱肋和右幅拱肋。

根據(jù)圖4可知，拱肋結(jié)構(gòu)在恒載作用下產(chǎn)生較大的軸向壓力，兩側(cè)各單元的軸力呈對(duì)稱(chēng)分布，左右幅拱肋軸力較中間拱肋小。三條拱肋均在拱頂處軸力值最小，并沿跨中向兩側(cè)拱腳逐漸遞增。在恒載作用下拱肋在拱腳處彎矩較大，在拱肋中間段產(chǎn)生的彎矩較小，由于縱坡的影響，故彎矩圖不對(duì)稱(chēng)，縱坡對(duì)拱肋彎矩影響較大。從圖5可以看出，在活載的作用下拱肋結(jié)構(gòu)均處于受壓狀態(tài)，兩側(cè)拱肋軸力較中間拱肋大。三條拱肋的軸力均由拱頂往拱腳逐漸增大，在拱腳處達(dá)到最大值，且兩側(cè)軸力分布呈對(duì)稱(chēng)趨勢(shì)。拱肋全跨彎矩均為正彎矩，且三條拱肋彎矩變化趨勢(shì)一致，均在1/4跨處彎矩最大，分別向跨中、拱腳處逐漸減小呈M形狀。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某系桿拱橋進(jìn)行數(shù)值模擬并對(duì)吊桿和拱肋結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行數(shù)值分析，得到在恒載和活載作用下吊桿和拱肋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)據(jù)，分析其變化規(guī)律，其結(jié)果可在同類(lèi)系桿拱橋設(shè)計(jì)與后期加固過(guò)程中提供一定參考依據(jù)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)受力以及外觀線(xiàn)性，使橋梁更好地承受荷載。

（1）恒載作用下吊桿和拱肋的內(nèi)力變化明顯要大于活載作用，橋梁所受的力更多地是為了抵抗自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的自重，活載引起各構(gòu)件的軸力與彎矩值僅為恒載的10倍左右，優(yōu)化橋梁材料能夠使自重降低，提高橋梁運(yùn)營(yíng)效率;

（2）在恒載和活載作用下，拱肋在拱腳處彎矩較大，當(dāng)拱橋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)拱腳的強(qiáng)度以保證橋梁后期的正常運(yùn)營(yíng)，在后續(xù)的使用中應(yīng)關(guān)注拱腳的結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)著重分析拱腳受力情況;

（3）對(duì)于有縱坡的系桿拱橋，其縱向的不對(duì)稱(chēng)性會(huì)對(duì)拱肋彎矩產(chǎn)生影響，故在對(duì)橋梁進(jìn)行索力優(yōu)化時(shí)應(yīng)考慮到縱坡的影響，盡量使拱肋受力趨于對(duì)稱(chēng)，以保證橋梁承受荷載的強(qiáng)度。

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